Barrier characteristics of PtSi/p-Si schottky diodes as determined from I-V-T measurements

The current-voltage-temperature characteristics of PtSi/p-Si Schottky barrier diodes were measured in the temperature range 60-115 K. Deviation of the ideality factor from unity below 80 K may be modelled using the so-called T-0 parameter with T-0 = 18 K. It is also shown that the curvature in the Richardson plots may be remedied by using the flatband rather than the zero-bias saturation current density. Physically, the departure from ideality is interpreted in terms of an inhomogeneous Schottky contact. Here we determine a mean barrier height at T = 0 K, phi(b)(-0) = 223 mV, with an (assumed) Gaussian distribution of standard deviation sigma(phi) = 12.5 mV. These data are correlated with the zero-bias barrier height, phi(j)(0) = 192 mV (at T = 90 K), the photoresponse barrier height, phi(ph) = 205 mV, and the flatband barrier height, phi(fb) = 214 mV. Finally, the temperature coefficient of the flatband barrier was found to be -0.121 mV K-1, which is approximately equal to 1/2(dE(g)(i)/dT), thus suggesting that the Fermi level at the interface is pinned to the middle of the band gap.

Electrostatic Solitary Waves in Relativistic Degenerate Electron-Positron-Ion Plasma

The linear and nonlinear properties of ion acoustic excitations propagating in warm dense electron-positron-ion plasma are investigated. Electrons and positrons are assumed relativistic and degenerate, following the Fermi-Dirac statistics, whereas the warm ions are described by a set of classical fluid equations. A linear dispersion relation is derived in the linear approximation. Adopting a reductive perturbation method, the Korteweg-de Vries equation is derived, which admits a localized wave solution in the form of a small-amplitude weakly super-acoustic pulse-shaped soliton. The analysis is extended to account for arbitrary amplitude solitary waves, by deriving a pseudoenergy-balance like equation, involving a Sagdeev-type pseudopotential. It is shown that the two approaches agree exactly in the small-amplitude weakly super-acoustic limit. The range of allowed values of the pulse soliton speed (Mach number), wherein solitary waves may exist, is determined. The effects of the key plasma configuration parameters, namely, the electron relativistic degeneracy parameter, the ion (thermal)-to-the electron (Fermi) temperature ratio, and the positron-to-electron density ratio, on the soliton characteristics and existence domain, are studied in detail. Our results aim at elucidating the characteristics of ion acoustic excitations in relativistic degenerate plasmas, e.g., in dense astrophysical objects, where degenerate electrons and positrons may occur.

Numerical modelling of low temperature laser produced magnesium plasma

The two-dimensional laser-plasma-interaction hydrodynamic code POLLUX has been used to simulate the ablation of a magnesium target by a 30-ns, 248-nm KrF excimer laser at low laser fluences of ≤10 J cm2. This code, originally written for much higher laser intensities, has been recently extended to include a detailed description of the equation of state in order to treat changes of phase within the target material, and also includes a Thomas Fermi description of the electrons. The simulated temporal and spatial evolution of the plasma plume in the early phase of the expansion (≤100 ns) is compared with experimental interferometric measurements of electron density. The expansion dynamics are in good agreement, although the simulated electron number density is about 2.5 times higher than the experimental values.

Nonlinear hydrodynamic Langmuir waves in fully degenerate relativistic plasma

The combined effect of special relativity and electron degeneracy on Langmuir waves is analyzed by utilizing a rigorous fully relativistic hydrodynamic model. Assuming a traveling wave solution form, a set of conservation laws is identified, together with a pseudo-potential function depending on the relativistic parameter p<inf>F</inf>/(m c) (where p<inf>F</inf> is the Fermi momentum, m is the mass of the charge carriers and c the speed of light), as well as on the amplitude of the electrostatic energy perturbation.

Electron-phonon thermalization in a scalable method for real-time quantum dynamics

We present a quantum simulation method that follows the dynamics of out-of-equilibrium many-body systems of electrons and oscillators in real time. Its cost is linear in the number of oscillators and it can probe time scales from attoseconds to hundreds of picoseconds. Contrary to Ehrenfest dynamics, it can thermalize starting from a variety of initial conditions, including electronic population inversion. While an electronic temperature can be defined in terms of a nonequilibrium entropy, a Fermi-Dirac distribution in general emerges only after thermalization. These results can be used to construct a kinetic model of electron-phonon equilibration based on the explicit quantum dynamics.

Radiation-induced defects in quantum-size structures of A3B5 semiconductors

As estruturas quânticas de semicondutores, nomeadamente baseadas em GaAs, têm tido nos últimos vinte anos um claro desenvolvimento. Este desenvolvimento deve-se principalmente ao potencial tecnológico que estas estruturas apresentam. As aplicações espaciais, em ambientes agressivos do ponto de vista do nível de radiação a que os dispositivos estão sujeitos, motivaram todo o desenrolar de estudos na área dos defeitos induzidos pela radiação. As propriedades dos semicondutores e dos dispositivos de semicondutores são altamente influenciadas pela presença de defeitos estruturais, em particular os induzidos pela radiação. As propriedades dos defeitos, os processos de criação e transformação de defeitos devem ser fortemente alterados quando se efectua a transição entre o semicondutor volúmico e as heteroestruturas de baixa dimensão. Este trabalho teve como principal objectivo o estudo de defeitos induzidos pela radiação em estruturas quânticas baseadas em GaAs e InAs. Foram avaliadas as alterações introduzidas pelos defeitos em estruturas de poços quânticos e de pontos quânticos irradiadas com electrões e com protões. A utilização de várias técnicas de espectroscopia óptica, fotoluminescência, excitação de fotoluminescência e fotoluminescência resolvida no tempo, permitiu caracterizar as diferentes estruturas antes e após a irradiação. Foi inequivocamente constatada uma maior resistência à radiação dos pontos quânticos quando comparados com os poços quânticos e os materiais volúmicos. Esta resistência deve-se principalmente a uma maior localização da função de onda dos portadores com o aumento do confinamento dos mesmos. Outra razão provável é a expulsão dos defeitos dos pontos quânticos para a matriz. No entanto, a existência de defeitos na vizinhança dos pontos quânticos promove a fuga dos portadores dos níveis excitados, cujas funções de onda são menos localizadas, provocando um aumento da recombinação nãoradiativa e, consequentemente, uma diminuição da intensidade de luminescência dos dispositivos. O desenvolvimento de um modelo bastante simples para a estatística de portadores fora de equilíbrio permitiu reproduzir os resultados de luminescência em função da temperatura. Os resultados demonstraram que a extinção da luminescência com o aumento da temperatura é determinada por dois factores: a redistribuição dos portadores minoritários entre os pontos quânticos, o poço quântico e as barreiras de GaAs e a diminuição na taxa de recombinação radiativa relacionada com a dependência, na temperatura, do nível de Fermi dos portadores maioritários.

Dynamics of a backlash chain

This paper studies the dynamical properties of a system with distributed backlash and impact phenomena. This means that it is considered a chain of masses that interact with each other solely by means of backlash and impact phenomena. It is observed the emergence of non-linear phenomena resembling those encountered in the Fermi-Pasta-Ulam problem.

The infared optical properties of Sr2RuO4 and SmTiO3 including an object-oriented resistivity interface /

The perovskite crystal structure is host to many different materials from insulating to superconducting providing a diverse range of intrinsic character and complexity. A better fundamental description of these materials in terms of their electronic, optical and magnetic properties undoubtedly precedes an effective realization of their application potential. SmTiOa, a distorted perovskite has a strongly localized electronic structure and undergoes an antiferromagnetic transition at 50 K in its nominally stoichiometric form. Sr2Ru04 is a layered perovskite superconductor (ie. Tc % 1 K) bearing the same structure as the high-tem|>erature superconductor La2_xSrrCu04. Polarized reflectance measurements were carried out on both of these materials revealing several interesting features in the far-infrared range of the spectrum. In the case of SmTiOa, although insulating, evidence indicates the presence of a finite background optical conductivity. As the temperature is lowered through the ordering temperature a resonance feature appears to narrow and strengthen near 120 cm~^ A nearby phonon mode appears to also couple to this magnetic transition as revealed by a growing asymmetry in the optica] conductivity. Experiments on a doped sample with a greater itinerant character and lower Neel temperature = 40 K also indicate the presence of this strongly temperature dependent mode even at twice the ordering temperature. Although the mode appears to be sensitive to the magnetic transition it is unclear whether a magnon assignment is appropriate. At very least, evidence suggests an interesting interaction between magnetic and electronic excitations. Although Sr2Ru04 is highly anisotropic it is metallic in three-dimensions at low temperatures and reveals its coherent transport in an inter-plane Drude-like component to the highest temperatures measured (ie. 90 K). An extended Drude analysis is used to probe the frequency dependent scattering character revealing a peak in both the mass enhancement and scattering rate near 80 cm~* and 100 cm~* respectively. All of these experimental observations appear relatively consistent with a Fermi-liquid picture of charge transport. To supplement the optical measurements a resistivity station was set up with an event driven object oriented user interface. The program controls a Keithley Current Source, HP Nano-Voltmeter and Switching Unit as well as a LakeShore Temperature Controller in order to obtain a plot of the Resistivity as a function of temperature. The system allows for resistivity measurements ranging from 4 K to 290 K using an external probe or between 0.4 K to 295 K using a Helium - 3 Cryostat. Several materials of known resistivity have confirmed the system to be robust and capable of measuring metallic samples distinguishing features of several fiQ-cm.

Magnetic and high pressure studies in the YPd5B3C3 system

The macroscopic properties of the superconducting phase in the multiphase compound YPd5B3 C.3 have been investigated. The onset of superconductivity was observed at 22.6 K, zero resistance at 21.2 K, the lower critical field Hel at 5 K was determined to be Hel (5) rv 310 Gauss and the compound was found to be an extreme type-II superconductor with the upper critical field in excess of 55000 Gauss at 15 K. From the upper and lower critical field values obtained, several important parameters of the superconducting state were determined at T = 15 K. The Ginzburg-Landau paramater was determined to be ~ > 9 corresponding to a coherence length ~ rv 80A and magnetic penetration depth of 800A. In addition measurements of the superconducting transition temperature Te(P) under purely hydrostatically applied pressure have been carried out. Te(P) of YPd5B3 C.3 decreases linearly with dTe/dP rv -8.814 X 10-5 JFermi level.

Design of Resistivity Instrumentation for a He3 Cryostat and its Application to the Charge Density Wave Superconductor CuxTiSe2

Fermi patches in quasi-two dimensional charge density waves (CDW) have not described the connection to superconductivity (SC) according to theory adequately at this point in time. The connection between CDW and SC in the quasi-two dimensional material CuxTiSe2 is an interesting one which might reveal mechanisms in unconventional superconductors. A previous Brock graduate student grew crystals of CuxTiSe2. The precise doping of the samples was not known. In order to determine the doping parameter x in CuxTiSe2, a sensitive resistivity measurement system was necessary. A new resistivity measurement system was designed and implemented utilizing an Infrared Labs HDL-10 He3 cryostat. By comparing with data from the literature, doping of two samples was investigated using the new measurement system and a Quantum Design Magnetic Property Measurement System (MPMS). Methods for determining the doping revealed that the old resistivity system would not be able to determine the CDW transition temperature of highly doped samples or doping for elongated samples due to electronic noise. Doping in one sample was found to be between x=0.06 and x=0.065. Values of doping in the second sample had a discrepancy but could be explained by incorrect sample orientation.

Etude théorique des propriétés électroniques et optiques des super-réseaux de Si/SiO2

FRANCAIS: L'observation d'une intense luminescence dans les super-réseaux de Si/SiO2 a ouvert de nouvelles avenues en recherche théorique des matériaux à base de silicium, pour des applications éventuelles en optoélectronique. Le silicium dans sa phase cristalline possède un gap indirect, le rendant ainsi moins intéressant vis-à-vis d'autres matériaux luminescents. Concevoir des matériaux luminescents à base de silicium ouvrira donc la voie sur de multiples applications. Ce travail fait état de trois contributions au domaine. Premièrement, différents modèles de super-réseaux de Si/SiO2 ont été conçus et étudiés à l'aide de calculs ab initio afin d'en évaluer les propriétés structurales, électroniques et optiques. Les deux premiers modèles dérivés des structures cristallines du silicium et du dioxyde de silicium ont permis de démontrer l'importance du rôle de l'interface Si/SiO2 sur les propriétés optiques. De nouveaux modèles structurellement relaxés ont alors été construits afin de mieux caractériser les interfaces et ainsi mieux évaluer la portée du confinement sur les propriétés optiques. Deuxièmement, un gap direct dans les modèles structurellement relaxés a été obtenu. Le calcul de l'absorption (par l'application de la règle d'or de Fermi) a permis de confirmer que les propriétés d'absorption (et d'émission) du silicium cristallin sont améliorées lorsque celui-ci est confiné par le SiO2. Un décalage vers le bleu avec accroissement du confinement a aussi été observé. Une étude détaillée du rôle des atomes sous-oxydés aux interfaces a de plus été menée. Ces atomes ont le double effet d'accroître légèrement le gap d'énergie et d'aplanir la structure électronique près du niveau de Fermi. Troisièmement, une application directe de la théorique des transitions de Slater, une approche issue de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour des ensembles, a été déterminée pour le silicium cristallin puis comparée aux mesures d'absorption par rayons X. Une très bonne correspondance entre cette théorie et l'expérience est observée. Ces calculs ont été appliqués aux super-réseaux afin d'estimer et caractériser leurs propriétés électroniques dans la zone de confinement, dans les bandes de conduction.

Étude des aimants quantiques et supraconducteurs non conventionnels

Une première partie de ce mémoire portera sur l’analyse des états fondamentaux ma- gnétiques de deux composés isolants et magnétiquement frustrés SrDy2O4 et SrHo2O4. Une étude de la chaleur spécifique à basse température sous l’effet de champs magné- tiques de ces échantillons a été menée afin de détecter la présence de transitions de phases. L’utilisation d’un composé isotructurel non magnétique, le SrLu2O4, a permis l’isolement de la composante magnétique à la chaleur spécifique. Les comportements observés sont non conformes avec les transitions magnétiques conventionnelles. De plus, le calcul de l’entropie magnétique ne montre qu’un recouvrement partiel de l’entropie associée à un système d’ions magnétiques. En second lieu, une analyse des oscillations quantiques de Haas-van Alphen a été effectuée dans le LuCoIn5, composé apparenté au supraconducteur à fermions lourds CeCoIn5. Les résultats obtenus montrent une topologie de la surface de Fermi très différente comparativement aux CeCoIn5 et LaCoIn5, ayant un comportement beaucoup plus tridimensionnel sans les cylindres caractéristiques présents chez les autres membres de cette famille. Finalement, le montage d’un système de détection PIXE a permis l’analyse nucléaire d’échantillons afin de déterminer la concentration de chacun des éléments les constituant. L’analyse a été effectuée sur une série d’échantillons YbxCe1−xCoIn5 dont le changement de concentration a des effets importants sur les propriétés du système.

Etude ab initio du pnicture de fer supraconducteur LaOFeAs

Le présent mémoire traite de la description du LaOFeAs, le premier matériau découvert de la famille des pnictures de fer, par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Plus particulièrement, nous allons exposer l’état actuel de la recherche concernant ce matériau avant d’introduire rapidement la DFT. Ensuite, nous allons regarder comment se comparent les paramètres structuraux que nous allons calculer sous différentes phases par rapport aux résultats expérimentaux et avec les autres calculs DFT dans la littérature. Nous allons aussi étudier en détails la structure électronique du matériau sous ses différentes phases magnétiques et structurales. Nous emploierons donc les outils normalement utilisés pour mieux comprendre la structure électronique : structures de bandes, densités d’états, surfaces de Fermi, nesting au niveau de Fermi. Nous tirerons profit de la théorie des groupes afin de trouver les modes phononiques permis par la symétrie de notre cristal. De plus, nous étudierons le couplage électrons-phonons pour quelques modes. Enfin, nous regarderons l’effet de différentes fonctionnelles sur nos résultats pour voir à quel point ceux-ci sont sensibles à ce choix. Ainsi, nous utiliserons la LDA et la PBE, mais aussi la LDA+U et la PBE+U.

Analyse des propriétés électroniques de supraconducteurs à l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité

Cette thèse traite de la structure électronique de supraconducteurs telle que déterminée par la théorie de la fonctionnelle de la densité. Une brève explication de cette théorie est faite dans l’introduction. Le modèle de Hubbard est présenté pour pallier à des problèmes de cette théorie face à certains matériaux, dont les cuprates. L’union de deux théories donne la DFT+U, une méthode permettant de bien représenter certains systèmes ayant des électrons fortement corrélés. Par la suite, un article traitant du couplage électron- phonon dans le supraconducteur NbC1−xNx est présenté. Les résultats illustrent bien le rôle de la surface de Fermi dans le mécanisme d’appariement électronique menant à la supraconductivité. Grâce à ces résultats, un modèle est développé qui permet d’expliquer comment la température de transition critique est influencée par le changement des fré- quences de vibration du cristal. Ensuite, des résultats de calcul d’oscillations quantiques obtenus par une analyse approfondie de surfaces de Fermi, permettant une comparaison directe avec des données expérimentales, sont présentés dans deux articles. Le premier traite d’un matériau dans la famille des pnictures de fer, le LaFe2P2. L’absence de su- praconductivité dans ce matériau s’explique par la différence entre sa surface de Fermi obtenue et celle du supraconducteur BaFe2As2. Le second article traite du matériau à fermions lourds, le YbCoIn5. Pour ce faire, une nouvelle méthode efficace de calcul des fréquences de Haas-van Alphen est développée. Finalement, un dernier article traitant du cuprate supraconducteur à haute température critique YBa2Cu3O6.5 est présenté. À l’aide de la DFT+U, le rôle de plusieurs ordres magnétiques sur la surface de Fermi est étudié. Ces résultats permettent de mieux comprendre les mesures d’oscillations quan- tiques mesurées dans ce matériau.

Advances in scaling deep learning algorithms

Les algorithmes d'apprentissage profond forment un nouvel ensemble de méthodes puissantes pour l'apprentissage automatique. L'idée est de combiner des couches de facteurs latents en hierarchies. Cela requiert souvent un coût computationel plus elevé et augmente aussi le nombre de paramètres du modèle. Ainsi, l'utilisation de ces méthodes sur des problèmes à plus grande échelle demande de réduire leur coût et aussi d'améliorer leur régularisation et leur optimization. Cette thèse adresse cette question sur ces trois perspectives. Nous étudions tout d'abord le problème de réduire le coût de certains algorithmes profonds. Nous proposons deux méthodes pour entrainer des machines de Boltzmann restreintes et des auto-encodeurs débruitants sur des distributions sparses à haute dimension. Ceci est important pour l'application de ces algorithmes pour le traitement de langues naturelles. Ces deux méthodes (Dauphin et al., 2011; Dauphin and Bengio, 2013) utilisent l'échantillonage par importance pour échantilloner l'objectif de ces modèles. Nous observons que cela réduit significativement le temps d'entrainement. L'accéleration atteint 2 ordres de magnitude sur plusieurs bancs d'essai. Deuxièmement, nous introduisont un puissant régularisateur pour les méthodes profondes. Les résultats expérimentaux démontrent qu'un bon régularisateur est crucial pour obtenir de bonnes performances avec des gros réseaux (Hinton et al., 2012). Dans Rifai et al. (2011), nous proposons un nouveau régularisateur qui combine l'apprentissage non-supervisé et la propagation de tangente (Simard et al., 1992). Cette méthode exploite des principes géometriques et permit au moment de la publication d'atteindre des résultats à l'état de l'art. Finalement, nous considérons le problème d'optimiser des surfaces non-convexes à haute dimensionalité comme celle des réseaux de neurones. Tradionellement, l'abondance de minimum locaux était considéré comme la principale difficulté dans ces problèmes. Dans Dauphin et al. (2014a) nous argumentons à partir de résultats en statistique physique, de la théorie des matrices aléatoires, de la théorie des réseaux de neurones et à partir de résultats expérimentaux qu'une difficulté plus profonde provient de la prolifération de points-selle. Dans ce papier nous proposons aussi une nouvelle méthode pour l'optimisation non-convexe.